第4章非线性电路及其分析方法 本章主要内容 4.1非线性电路的基本概念与非线性元件 4.1.1非线性电路的基本概念 4.1.2非线性元件及其特性 4.1.3非线性元件的描述方法 4.2非线性电路的分析方法 4.2.1幂级数分析法 4.2.2折线分析法（含哪些频率分量，幅度多大） 4.3、非线性电路的应用举例及高频功率放大器 4.3.1C类谐振功率放大器 4.3.2D类和E类功率放大器 4.3.3倍频器 4.3.4模拟相乘器 4.4、时变参量电路与变频器 Tsinghua University
1 笫4章 非线性电路及其分析方法 本章主要内容 4.1非线性电路的基本概念与非线性元件 4.1.1非线性电路的基本概念 4.1.2非线性元件及其特性 4.1.3非线性元件的描述方法 4.2非线性电路的分析方法 4.2.1幂级数分析法 4.2.2折线分析法（含哪些频率分量，幅度多大） 4.3、非线性电路的应用举例及高频功率放大器 4.3.1 C类谐振功率放大器 4.3.2 D类和E类功率放大器 4.3.3 倍频器 4.3.4 模拟相乘器 4.4、时变参量电路与变频器
4.3非线性电路的应用及高频功率放大器 在通信电路中，非线性电路的应用： （1)实现信号频谱的线性变换一一第四、六章 ■将信号频谱无失真地在频率轴上搬移 如混频和调幅、检波过程，称为频谱的线性变换。 (2)实现信号频谱的韭线性变换一一第四、六章 输出和输入信号频谱间具有非线性关系。 如倍频器的输入信号频率D,，而输出信号频率n0,,n为 正整数。又如，角度调制过程也属于频谱的非线性变换。 (3)实现时变参量电路 ■这是非线性电路的一种特殊应用。 (4)实现高效率功放 Tsinghua University
2 4.3非线性电路的应用及高频功率放大器 在通信电路中，非线性电路的应用： （1）实现信号频谱的线性变换－－第四、六章 ◼ 将信号频谱无失真地在频率轴上搬移 如混频和调幅、检波过程，称为频谱的线性变换。 （2）实现信号频谱的非线性变换－－第四、六章 输出和输入信号频谱间具有非线性关系。 如倍频器的输入信号频率 ，而输出信号频率 ， 为 正整数。又如，角度调制过程也属于频谱的非线性变换。 （3）实现时变参量电路 ◼ 这是非线性电路的一种特殊应用。 （4）实现高效率功放 i i n n
落器一西制图一上变频一毅突一带通 高频功率放大器 基带信号 本振信号 口高频功率放大器用于发射机的末级，将已调信号放大 到所需要的功率值，送到天线发射。 口高频功率放大器与小信号放大器的区别 ■要求输出大的功率 一一在给定的电源电压下，会有相当大的工作电流。 ●集电极馈电：一般是电源通过高频 扼流圈或变压器线圈加至集电极。 ●共射接法（有电流增益），而 且发射极引线尽可能短（减小引 线电感)。 ·必须有阻抗（变换）匹配网络。 ■功率放大器要求高的效率 A、 B、C、D、E、F类功率放大器的设计均围绕着提高效率展开的 Tsinghua University 3
3 高频功率放大器 高频功率放大器用于发射机的末级，将已调信号放大 到所需要的功率值，送到天线发射。 高频功率放大器与小信号放大器的区别 ◼ 要求输出大的功率 －－在给定的电源电压下，会有相当大的工作电流。 •集电极馈电：一般是电源通过高频 扼流圈或变压器线圈加至集电极。 •共射接法（有电流增益），而 且发射极引线尽可能短（减小引 线电感）。 •必须有阻抗（变换）匹配网络。 ◼功率放大器要求高的效率 A、B、C、D、E、F类功率放大器的设计均围绕着提高效率展开的
高频功率放大器分类 口功率放大器一般分：A、B、C、D、E 口按晶体管导通情况分 QA ·A类：0=180 日为半导通角 ·B类 0=900 Qc C类 0<90°（一般60°-70°） 0 QB 口按晶体管等效电路分 ·A、B、C类：输入正弦波，晶体管等效为受 输入信号控制电流源。 D、E、F类：输入为方波，晶体管等效为 静态工作点 受输入信号控制开关，导通角为90% 选择示意图 口按线性与非线性分 ·A、B类：线性功放，(B类电路接成推挽形式) ·C、D、E、F类：非线性功放，负载是谐振电路 Tsinghua University
4 高频功率放大器分类 按晶体管导通情况分 按晶体管等效电路分 按线性与非线性分 0 ＝90 •A类： •B类 •C类 （一般60-70 ） 0 900 ＝180 •A、B、C类：输入正弦波，晶体管等效为受 输入信号控制电流源。 •D、E、F类：输入为方波，晶体管等效为 受输入信号控制开关，导通角为 0 90 •A、Ｂ类：线性功放，（B类电路接成推挽形式） •C、D、E、F类：非线性功放，负载是谐振电路 为半导通角 功率放大器一般分：A、B、C、D、E 静态工作点 选择示意图
功率放大器的主要性能指标 口输出功率、效率、线性、功率增益、带外的寄生输出 ■功率放大器中的非线性有诸多危害 >(频域)产生新的频率分量，干扰有用信号，改变信 号频谱，展宽频带； >(时域)放大器增益和输入幅度有关，使输出信号的 包络发生变化，引起波形失真；非线性电抗部件可将幅 度变化转移到相位变化中，干扰已调波的相位。 ■衡量线性度：三阶互调截点IP3,1dB压缩点、谐波、 邻道功率比（非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度）。 口保证高的效率和大的功率是高频功放设计的核心。 口对于线性要求高的功率放大器，非线性失真系数则成 为重要的指标。一一牺牲效率保证线性。 Tsinghua University
5 功率放大器的主要性能指标 输出功率、效率、线性、功率增益、带外的寄生输出 ◼ 衡量线性度：三阶互调截点IP3，1dB压缩点、谐波、 邻道功率比（非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度）。 保证高的效率和大的功率是高频功放设计的核心。 对于线性要求高的功率放大器，非线性失真系数则成 为重要的指标。－－牺牲效率保证线性。 ◼功率放大器中的非线性有诸多危害 ➢（频域）产生新的频率分量，干扰有用信号，改变信 号频谱，展宽频带； ➢（时域）放大器增益和输入幅度有关，使输出信号的 包络发生变化，引起波形失真；非线性电抗部件可将幅 度变化转移到相位变化中，干扰已调波的相位
A类功率放大器 口必阿设置合适的静态工作点，'D=,'osm 们分别是管子所能承受的最大漏源电压和漏极电流。 ▣ 电路中尽量减小不必要的直流损耗，用高频扼流圈代替集 电极直流负载电阻。 口最大输出功率2moa=oam×no) 口电源供给功率P=Ipo'op 口最大集电极效率，la -=50% IpoXVDD 阻抹匹配 (为保证良好的线性，应远离非线性区， 避免管子接近饱和与截止，只能减小输 出信号功率，实际上7=35~40%) ■ A类功放是以效率为代价来提 供线性度的。 Tsinghua University 6
6 A类功率放大器 必须设置合适的静态工作点， 它 们分别是管子所能承受的最大漏源电压和漏极电流。 电路中尽量减小不必要的直流损耗，用高频扼流圈代替集 电极直流负载电阻。 最大输出功率 电源供给功率 最大集电极效率 （为保证良好的线性，应远离非线性区， 避免管子接近饱和与截止，只能减小输 出信号功率，实际上 = 35 ~ 40% ） ◼ A类功放是以效率为代价来提 供线性度的。 RL LC Cg Rg VGG VDD 阻抗匹配 max 2 1 VDD = VDS max 2 1 I DQ = I D ) 2 1 ( 2 1 2 1 Pomax = I omVom = IDmax VDD Ps = I DQVDD 50% ) 2 1 ( 2 1 max = = DQ DD D DD I V I V
B类功率放大器 口工作原理 ■有两个反相工作的单管B类放 可以不要 大器构成。 ■输入信号v,经变压器变换为 反相电压v和"，作为两放大 器的激励电压。 ■两放大器分别在输入信号的正 半周和负半周工作，各自产生 一流通角0=90°的集电极脉冲 电流i和i2。 ■两电流经输出变压器， 在负载回路合成一完整的正弦波 理论上7≈79% 有失真（交越失真）-采用AB类 Tsinghua University
7 B类功率放大器 工作原理 ◼ 输入信号 i v 经变压器 Tr1 变换为 反相电压 i v' 和 i v" ，作为两放大 器的激励电压。 ◼ 两放大器分别在输入信号的正 半周和负半周工作，各自产生 一流通角=90的集电极脉冲 电流 c1 i 和 c2 i 。 ◼ 两电流经输出变压器 Tr2， 在负载回路合成一完整的正弦波 ◼有两个反相工作的单管B类放 大器构成。 可以不要 ◼有失真（交越失真）--采用AB类 理论上 79%
4.3.1C类功放一谐振功率放大器 下图所示是谐振功率放大器的电原理图。 口电路的特点： Tr ■电路的静态工作点是选在接 近截止点，或选择在小于截 Tr 止点的负偏置区。 VBE 消除由静态工作点带来的无 用功耗，提高效率。 ■ 输入、输出端通过变压器线 圈馈电。本电路都采用串馈 VBB (直流、交流与管子三者是 串联连接的) VCE Vee-Ve ■以谐振回路为负载，考虑了 VBE =-VBB+V 选频与匹配（满足输出所要 求的功率时的最佳电阻。) Tsinghua University
8 4.3.1 C类功放－谐振功率放大器 电路的特点： ◼ 电路的静态工作点是选在接 近截止点，或选择在小于截 止点的负偏置区。 消除由静态工作点带来的无 用功耗，提高效率。 ◼ 输入、输出端通过变压器线 圈馈电。本电路都采用串馈 （直流、交流与管子三者是 串联连接的） ◼ 以谐振回路为负载，考虑了 选频与匹配（满足输出所要 求的功率时的最佳电阻。） 下图所示是谐振功率放大器的电原理图。 BE BB i CE cc c v V v v V v = − + = − vi vi Tr1 Tr2 RL VBB VCC C L BE v CE v C i C v B i
C类功放的等效电路 ·以电压控制电流源 等效晶体管的作用 a ●图(b)为E~iC 控制特性 LC、R,等效晶体 管的负载，R为包括 R,、晶体管的输出 电阻和回路损耗的总 T 折合值。 ·图(c)负载阻抗的 模随频率变化的关系 Tsinghua University 9
9 C类功放的等效电路 •以电压控制电流源 等效晶体管的作用 •图（b）为 控制特性 •LC 、 等效晶体 管的负载， 为包括 、晶体管的输出 电阻和回路损耗的总 折合值。 •图（c）负载阻抗的 模随频率变化的关系 BE C v ~ i ' RL ' RL RL
C类功放工作原理 返回 折线分析法 斜率g 示意图 (a) -20 Vi v(t) (c) 其中，为阙电压， (b) g为y>Vh时直线段 的斜率，VB为偏置电压。 Tsinghua University 10
10 C 类功放工作原理 其中， 为阈电压， g为 时直线段 的斜率， 为偏置电压。 折线分析法 示意图 Vth i Vth v VBB 返回